基于Arduino无线温湿度测控系统设计毕业设计

沈阳理工大学学士学位论文I摘 要温湿度控制已经成为了 21 世纪热门研究。无论是从生产还是生活，温湿度都与我们人类都是息息相关的。而智能化的温湿度控制系统的发展方向已成为一种必然趋势。我们思维方式不可能一直原地不动，不能再坚守旧时代利用大量人力资源来控制温度和湿度的变化。这样不但浪费大量的人力财力资源，而且控制系统功能也比较单一化，适用场合也有很大的局限性。而使用自动的智能控制的方式，既节省了人力财力，更加体现出了与时俱进的辩证思想，世界在进步，而这种进步就该体现在生活中的各个细节方面。传统的温湿度测量方法周期长，效率低，管理很不方便，发生故障时，更要花费大量人力物力来查找。尤其是用于温室采样数据频繁情况条件下，采用无线传输系统更显现出他的优越性。该系统可对温度实现现场和远程智能化在线检测和预警。该系统在测温精度上达到了一定的水平。而在温度采集速度上，由于使用了独立的温度补偿电路，有效地提高了温度测量的灵敏度和系统稳定性。另外，由于使用了存储芯片，可以保存实时数据，提高了系统的可靠性，是一种价格低廉方便实用的系统，可在生产上推广应用。为了实现这种对环境状况监测，于是设计了一种基于 Arduino 的环境状况监测系统。该系统以 Arduino UNO 为研究重点、编写出 Arduino UNO 程序、实现将传感器数据上传到监测平台。以及用计算机作为客服端查看连接到 Arduino UNO 上的传感器数值。实验表明、这种设计能够以经济、高效的方式实现无线数据采集、可用于境状况的快速监测。关键词：Arduino；程序设计；环境状况监测沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractTemperature and humidity control has become a hot research in the 21st century. Both in terms of production and life, our human beings are closely linked to temperature and humidity. And the development direction of intelligent temperature and humidity control system has become an inevitable trend. The way of our thinking can be changed. We are unable to stick to control the change of temperature and humidity with so many people in old stage. It is not only waste a lot of manpower resource, but also the function of control system is simplified and it is applied in occasion significant limitations. While using auto intelligent control not only save manpower but also reflects the dialectical thought of keeping pace with the time. The world has changed . This progress should be reflected in every detail of life. The traditional method of temperature and humidity measurement cycle is long, the efficiency is low and the management is not very convenient. When a failure occurs, people should spend a lot of manpower material resources to find it. Especially for greenhouse under the working conditions of frequent sampling data, using wireless transmission system showed his superiority. The system can be achieved on the temperature field and remote intelligent on-line detection and warning. The system on temperature measurement accuracy achieves a certain level. Due to the speed, the temperature measurement sensitivity is improved effectively and stability with the use of independent temperature compensation circuit. In addition, with the use of memory chips that can save the real-time data and improve the reliability of the system. It is a kind of low cost, convenient and practical system that can be applied in the production.In order to realize environmental condition monitoring system based on Arduino was designed. Focused on Arduino UNO , we programed the Arduino UNO for sending the sensor data to public server. Tests show that this kind of design provide environmental condition monitoring system more economy and convenient.Keywords: Arduino UNO;Programming;Environmental condition monitoring沈阳理工大学学士学位论文III目 录1 绪 论 .11.1 课题研究背景 .11.2 国内外发展现状及发展趋势 .11.3 软件技术的发展 .21.4 无线通信技术的发展及研究现状 .31.4.1 IEEE80211 .31.4.2 蓝牙(Bluetooth) 技术 .31.4.3 NRF2401.41.5 论文的主要内容 .42 系统方案的总体设计 .62.1 系统方案的确定 .72.1.1 传感器方案 .72.1.2 系统控制及数据处理模块方案 .82.1.3 无线传输方案 .92.1.4 数字式温湿度传感器选择 .103 系统硬件电路的设计 .133.1 温湿度采集部分电路设计 .13沈阳理工大学学士学位论文IV3.1.1 关于单总线的说明 .143.1.2 传输数据的格式 .143.1.3 数据时序图及传送接收的步骤 .153.2 环境因素对器件性能的影响 .183.3 无线收发模块 NRF2401 的配置 .183.3.1 NRF2401 状态机 .203.3.2 NRF24L01 固件编程的基本思路 .203.4 主从机系统电路接口设计 .233.4.1 硬件抗干扰措施 .243.4.2 小结 .254 系统的软件设计 .264.1 温湿度测量子程序 .284.2 小结 .305 结论与展望 .31致 谢 .32参考文献 .33附录 A 英文原文 .34附录 B 汉语翻译 .42沈阳理工大学学士学位论文11 绪 论1.1 课题研究背景进入 21 世纪，随着互联网，移动互联网，乃至物联网的发展，推动了整个工业界对环境的监测发展，为了保证工厂生产的顺利进行，首要问题是必须加强工厂车间内部的温湿度监测，传统的方式是通过干湿度表，毛发湿度计，温湿度试纸和温度计等测试器材，通过人工去进行监测，对于不符合温湿度要求的车间进行通风，去湿度等措施，这种人工方法不仅费时费力而且效率低下，并且得到的数据往往误差大。随着电气技术，微电子技术的飞速发展，工厂的监测，车间控制与管理的自动化已经迫在眉睫，尤其是近年来车间生产的空间不断扩大，传统的方式已经远远不能满足生产的实际需要，建立一种管理科学，操作简便，运行可靠的高效率的控制系统是必需的。在产品竞争日趋激烈化的当下，产品生产的环境决定了产品的质量以及后续产品的市场，对生产环境的监测凸显了更加重要的地位。目前国内一些基于物联网技术的温湿度采集虽然可以测量多个参数，但是大多数设计复杂，价格昂贵，难以获得广泛的应用。本系统主要监测工厂车间的温湿度参数，实时显示各个车间的环境情况，通过控制器分析处理，实现现场控制，达到恒温，恒湿的状态。从而提高工厂车间的科学管理化，控制自动化水平。如果使用一般有线的控制布线，则施工劳动强度大，投资大。本次拟改用科技创新的观点，拟采用基于无线传输的设计思路，通过 Arduino 硬件处理，软件算法完成上述所需要的功能。1.2 国内外发展现状及发展趋势温湿度监测属于监控系统的范畴，近年来，由于计算机技术以及超大规模集成电路和通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工业生产等领域，因此，温湿度监测技术的研究在软硬件等方面都有了一定的进展。早期工厂车间温湿度监测主要采用温度计测量法，他是将温湿度放入特定的地点，根据不同地点的采集，管理人员往来于不沈阳理工大学学士学位论文2同的地点，读出的示数决定结果。这种人工的方法去监测工厂车间的温湿度具有一定的作用，但是由于温湿度的精度，人工读数的人为因素等原因，温湿度监测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部温湿度差别过大不容易被及时发现导致监测不准确影响了生产的效率时有发生。随着科技的发展，从 1978 年开始，采用了电阻式温度传感器，采样器，模数转换器，报警器等组成的工厂车间环境监测系统出现，他可对各生产车间的各个测温点进行巡回监测，监测速度，精度大大提高，降低了劳动强度，但由于电阻传感器的灵敏度低，致使监测精度，系统可靠性还不够理想。至 1990 年，工厂车间的温湿度监测有了很大的改善和提高，系统在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路，从而减少了传输线根数；现如今采用单片机进行数据处理，并采用各种手段提高数据传输及监测速度，通过软硬件技术的结合，监测精度和可靠性较前有很大提高。但温度传感器的线性度差，系统的监测精度仍不理想，无法大面积推广。近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，温湿度监测的准确性，稳定性，要求越来越高。寻找最佳配置和最好的性价比成为工厂车间监测研究的热点。国外在温湿度监测技术上已经达到了很成熟的地步，高科技数字式传感器广泛应用于温湿度监测系统。这种传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技，在一个管芯上集成了半导体温湿度监测芯片，数据信号转换芯片，计算机接口芯片，存储芯片等，除了完成温湿度监测功能外，还可以完成预置范围温度，报警，多路 A/D 转换，温度补偿等功能。由于数字温湿度传感器直接传出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题以及传输过程中干扰和衰减而导致的精度降低等问题。目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如远程控制模块，中继器，按插器，分线器等，技术也比较成熟。数字传感技术，通信技术，计算机成为当今信息技术的三大基础，计算机监控技术已经成为人们关注的热点。1.3 软件技术的发展沈阳理工大学学士学位论文3近年来，各种计算机开发平台有了很大的发展，特别是 Windows 环境下的 visual c +，Java 的不断升级，数据库功能增强，能够使用 ODBC 驱动程序访问各种数据系统，并可使用 ADO、DAO 等各种应用程序开发接口，操纵数据库中数据，管理数据库、数据库对象与结构，方便地对监测数据进行显示、打印、查询、自动控制等操作，为高性能的测控软件设计提供了基础。1.4 无线通信技术的发展及研究现状无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的短距离无线通信技术主要有 IEEE802、WLAN、蓝牙、ZigBee、NRF2401、微功率短距离无线通信技术等。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。1.4.1 IEEE802.11802.11 是个系列标准。IEEE8021ib 技术标准是无线局域网的国际标准，自发布之日起就得到了广泛的应用，迄今为止仍是应用热点。该标准工作在 2.4GHz 的频段上，采用了补码键控(CCK)调制技术和直接序列调频(DSSS)技术，最大传输速率可达11Mbit/S，并且可以根据情况的变化，在 11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s 的不同速率之间自动切换，且在 2Mbit/s、lMbit/s 的速率时与 802.11 兼容，它从根本上改变了 WLAN 的设计和应用现状，扩大了 WLAN 的应用领域。现在，大多数厂商生产的WLAN 产品都基于 802.11 标准。802.1la 标准与 802.11b 同年制定，它工作在 5GHz 频段上，使用 OFDM(Orthogonal Frequeney Division Multiplexing)调制技术，支持 6、9、12、18、24、36、48 和54Mbit/s 的传输速率。 802.1lb 与 802.1la 两个标准都存在着各自的优缺点。802.1lb 的沈阳理工大学学士学位论文4优势在于价格低廉，但速率较低(最高 11Mbit/s)：而 802.1la 优势在于传输速率快(最高54Mbit/s)且受干扰少，但价格相对较高。另外，802.1lb 与 802.1la 工作在不同的频段上，不能工作在同一接入点(AP)的网络里 ，因此 802.1lb 与 802.1la 互不兼容。为了解决上述问题，IEEE802II 工作组开始定义新的物理层标准802.1lg。802.119 标准与以前的 802.11 协议标准相比有以下两个特点：在 2.4GHz 频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术，使数据传输速率提高到 20Mbit/s 以上：能够与802.1lb 的 Wi-Fi 系统互相连通，共存于同一 AP 的网络里，保障了后向兼容性，延长了 802.1lb 产品的使用寿命，降低了用户的投资。1.4.2 蓝牙(Bluetooth) 技术蓝牙是由爱立信、东芝、诺基亚、英特尔和国际商用机器公司等公布的一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，开发于上世纪 90 年代中后期。它是一种用于短距离的、点对多点的数据和语音传输的射频规范。开发该技术的目的是以近距离、无线为基础为固定与移动终端建立临时对等连接。蓝牙的传输距离在 1m 到 l0m 之间，增加发射功率或配置专用的放大器后可使传输距离达到 100m。目前，蓝牙设备在无线耳机、无线键盘等领域应用较多，但其国内市场的推广仍然十分不